第二章机械设计总论

1、明确本课程的内容、性质、特点以及相应的学习方法，对整个课程有一个大致的了解。基本要求：2、了解机械零件设计的基本步骤，弄清零件设计在机械设计中的地位。3、了解机械设计的基本原则和设计程序。第二章机械设计总论§2-1机器的组成润滑、显示、照明等辅助系统原动机传动装置执行机构控制系统原动机―驱动整部机器完成预定功能的动力源。现代机器动力机：电动机、热力机。运动特点：旋转运动、直线运动。人们为了满足生产和生活的需要，研制了类型繁多、功能各异的机器。尤其是蒸汽机出现之后，使机器具有了完整的形态。润滑、显示、照明等辅助系统原动机传动装置执行机构控制系统传动装置―在原动机与执行机构之间传递运动、转换运动方式的装置。机械传动装置是本课程研究的主要内容之一。执行机构―完成机器预定功能的组成部分，位于传动路线的终点。润滑、显示、照明等辅助系统原动机传动装置执行机构控制系统控制系统―保证机器的启动、停止和正常协调动作。传感器传感器－将机器的工作参数，如位移、速度、加速度、温度、压力等反馈给控制系统。辅助系统－包括机器的润滑、显示、照明等。也是保证机器正常工作不可缺少的部分§2-2设计机器的一般程序机械设计的一般过程：▲计划阶段▲方案设计阶段▲技术设计阶段▲技术文件编制阶段▲试制阶段▲投产销售一、计划阶段包括：需求分析、明确功能、制定设计任务书。设计任务书机器的功能经济性估计制造要求的大致估计基本使用要求预计的设计周期机械设计的任务是根据生产和市场需求提出的。此时,对所要设计的机械只是个模糊的概念。机械厂装配车间输送带传动装置设计1、设计条件1）机器功用由输送带传送机器的零、部件；2）工作条件单向运输，轻度振动，环境温度不超过40℃；3）运动要求输送带运动速度误差不超过5％；4）使用寿命十年，每年300天，每天16小时；5）检修周期一年小修，两年大修；6）生产厂型中型机械厂；7）生产批量中小批生产。2、原始数据题号A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12主动滚筒扭矩（Nm）80080090090010001000110011001200120013001300主动滚筒速度（m/s）1.51.61.51.61.51.61.51.61.51.61.51.6主动滚筒直径（mm）2602602802802803003003003203203203203、设计任务1)设计内容①电动机选型②带传动设计③减速器设计④联轴器选型设计2)设计工作①减速器装配图1张②零件图4张（由指导教师指定）③设计计算说明书一份4、设计要求1)减速器设计为单级圆柱齿轮减速器2)减速器齿轮设计为标准直齿圆柱齿轮二、方案设计阶段对机器的功能进行综合分析、确定功能参数、提出实现方案。在制定功能参数时一定要注意恰当处理需要与可能、理想与现实、长远目标与当前目标等之间的关系。一般而言，实现同一个功能，有多种可能的方案。以螺纹制造为例：有车削、滚压、板牙加工等方法。方法不同，其执行部分的工作原理也不同。方案评价原则：经济性、技术上可行。总费用设计制造费用使用费用费用复杂程度三、技术设计阶段绘制总装配草图、部件装配草图，由草图确定零部件的外形、基本尺寸和零件工作图。1）机器的运动学设计2）机器的动力学设计3）零件的工作能力设计4）部件装配草图及总装配草图的设计----结构设计5）主要零件的校核计算确定原动机的参数（功率、转速、线速度等）。求解构件的运动参数（转速、速度、加速度等）。计算构件所受公称载荷（名义载荷）的大小和特性。根据工作能力准则作零部件的初步设计。得出零件的基本尺寸。以结构设计尺寸为依据，对零件进行精确的受力分析和工作能力校核计算四、技术文件编制技术文件设计说明书使用说明书零件明细表标准件汇总表产品验收条件………….技术文件----用来说明产品性能、设计、制造、操作使用、维护、或其它所有与产品相关的文档资料。技术设计方案设计计划提出任务分析对机器的要求确定任务要求机器功能分析提出可能的解决办法组合几种可能的方案决策----选定方案明确构形要求结构化选择材料、确定尺寸零件设计编制技术文件评价决策—确定结构形状与尺寸评价部件设计总体设计注意的几个问题着重学习零件的设计方法以及零件参数的合理选择。除了理论分析和计算以外，更应重视零件结构设计的学习。──设计决非只是计算。性能要求与经济性──永远是一对矛盾，应学会合理地解决这一对矛盾。经验设计与现代设计──二者均重要，前者是后者的基础。•目前世界上有名的多用户群的制图软件：UG,Pro-E,SolidWorks,SolidMAX,Catia,Alias,MasterCAM,Autocad•UGCatiaPro/E是以前的三维界三巨头，solider是近几年才出现的，发展势头比较好，简单实用，上手比较快，如果只是做简单的机械设计是足够了，但是作模具，曲面可能有些不足，不过简单易学，和caxa很像。•Pro/E全参（参数化），造型思路严谨，简单零件和装配在后期修改比较方便。曲面方面有Style，从CDRS中吸收了很多自由曲面造型的方法。功能比较强。主要用于消费电子行业及其模具，属于中流。缺点是二维图有点麻烦，复杂零件和复杂装配在前期全参造型速度较慢，后期修改参数很容易导致更新失败，相对UG工资较低。CAE、运动分析、加工不是强项。•UG可全参，可无参，可变参，造型思路灵活，如果应用熟练，复杂零件和装配后期修改非常方便，可去参，可加参，可改参，实在不行对单个零件推倒重来而不影响整体。曲面有Imageware的集成，自由曲面造型效果好，曲面功能更强，做18阶函数以上的曲面更显优势。主要用于汽车、航空航天及相关模具设计、分析、制造。优点：CAE简单集成了NXNastran和I-DEASMasterFEM，运动学分析加入了ADAMS。加工与Cimatron、Delcam齐名，是目前最好的三大软件之一。UG提供了丰富且简便的二次开发工具，可以很轻松的添加功能。他的知识专家系统KF也是CAD中最优秀的。掌握UG更容易进入汽车、模具，以及欧洲机械电子类工厂等高薪行业。•catia做的曲面设计不错，一般都是用了设计飞机。3D软件中是上流，但最近才有针对中小用户的软件，现在设计公司用的不多。•catia的参数关联性、曲面、分析、知识专家都是比UG强。同时Catia对硬件的要求也是比UG高的，特别耗内存。•ug的特征建模的方法比较简便，2维作图比较容易。⑸、其他特殊要求⑷、寿命与可靠性的要求⑶、劳动保护和环境保护要求⑴、使用功能的要求⑵、经济性要求实现使用功能正确选择工作原理，结构类型传动方案。例：对减速器的传动比、功率、转速等的要求；对牛头刨床行程、速度变化系数等经济性要求设计+制造+使用保养1、设计上：a)采用先进的设计手段（例：CAD）b)采用三化零部件（系列化、通用化、标准化）2、制造上：a)采用新工艺、新结构、新材料、新技术b)力求改善零件的结构工艺性------减少用料、易加工、装配3、使用保养上：a)合理提高自动化水平和生产率。b)降低能耗c)适当延长机器寿命（润滑系统、表面保护）d)采用可靠的密封，减少或消除渗漏现象劳动保护和环境保护要求1、操作方便，省力、舒适、劳动强度低例：手柄：数量+高低+转向+驱动力链条传动防护罩。2、保证人机安全完善的安全防护、保安、报警装置3、环境保护降低噪声（70~80dB），净化废水、废气、废液，色彩协调、密封等寿命与可靠性要求设计的零件、结构合理，满足强度、刚度、耐磨性、耐热性振动稳定性等其他特殊要求不同机械有不同的特殊要求a、经常搬动：易于拆装、运输b、食品、医药：防污染c、重量（飞机）、精度（机床）§2-3对机器的主要要求§2-4机械零件的主要失效形式机械零件的失效：机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效。工作能力----在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度。通常此限度是对载荷而言，所以习惯上又称为：承载能力。例如：发生强烈的振动、联接的松弛、摩擦传动的打滑等。整体断裂；过大的残余变形；零件的表面破坏；破坏正常的工作条件；零件的失效形式机械零件失效的实例：齿轮轮齿折断轴承内圈破裂轴承外圈塑性变形轮齿塑性变形齿面接触疲劳轴瓦磨损失效原因:强度、刚度、耐磨性、振动稳定性、温度等原因。统计结果显示：断裂仅占4.79%;腐蚀、磨损、疲劳破坏占73.88%。--主要失效原因。§2-5设计机械零件时应满足的基本要求机器是由各种各样的零部件组成的，要使所设计的机器满足基本要求，就必须使组成机器的零件满足以下要求：▲避免在预定寿命期内失效的要求▲结构工艺性要求▲经济性要求▲质量小的要求▲可靠性要求应保证零件有足够的强度、刚度、寿命。一、避免在预定寿命期内失效的要求提高零件强度的措施有：▲采用高强度的材料；▲使零件具有足够的截面尺寸；▲合理设计零件的截面形状，增大惯性矩；▲采用热处理和化学处理方法提高材料的强度性能；▲提高零件的制造精度，以减少工作时的动载荷；▲合理配置零件的相对位置，以降低零件的载荷。1.强度要求2.刚度要求零件在工作时的弹性变形不能超过允许的范围称为零件的刚度要求。提高零件刚度的措施有：▲增大零件的截面尺寸或增大惯性矩；▲缩短支承的跨距或采用多点支承。3.寿命要求影响零件寿命的主要因素有：大部分零件工作在变应力下，故疲劳破坏是引起零件破坏的主要原因。影响疲劳强度的因素有：疲劳破坏腐蚀磨损▲应力集中；▲零件的尺寸大小；▲零件表面质量及环境状况：零件处在腐蚀性介质中工作时，可能使材料遭到腐蚀。抗腐蚀的措施有：▲表面发兰（发黑）；▲表面镀层；▲表面涂漆；▲表面阳极化。二、结构工艺性要求零件工艺性良好的标志----在具体的生产条件下，零件要便于加工而加工费用又很低。1)毛坯选择合理▲制备方法：选用型材、铸造、锻造、冲压和焊接等。▲毛坯选择与生产批量、材料性能和加工可能性有关。⑴单件或小批量生产时，选用棒料、板材、型材或焊件。⑵大批量生产时，往往选用铸造、锻造、冲压等方法。2)结构简单合理▲最好采用平面、柱面、螺旋面等简单表面极其组合；▲尽量减少加工面数和加工面积；▲尽量采用标准件；▲增加相同形状、相同元素（直径、圆角半径、配合、螺纹、键、齿轮模数等）的数量；3)合理的制造精度和表面粗糙度零件的加工成本随精度和表面粗糙度的提高而急剧增加。决不能盲目追求高精度，应在满足使用要求的前提下，尽量采用较低的精度和表面质量。4)尽量减小零件的加工量▲毛坯形状和尺寸应尽量接近零件本身的形状和尺寸。力求使少或无切削加工，节约材料、降低成本。▲尽量采用精密铸造、精密锻造、冷轧、冷挤压、粉末冶金等先进工艺满足上述要求。三、经济性要求零件的经济性首先表现在零件的生产制造成本上。▲简化零件的结构，降低材料消耗；▲采用无余量、少余量的毛坯，减少加工工时；▲采用廉价而充足的材料代替昂贵材料；▲大型零件采用组合结构而非整体结构；▲尽量采用标准件。四、质量小的要求减小质量的措施：节约材料；减小惯性，改善机器的动力性能。▲采用缓冲装置来降低零件所受冲击载荷；▲采用安全装置来限制作用在零件所受最大载荷；▲从零件应力较小处削减部分材料，以改善零件受力的均匀性，提高材料的利用率；▲采用与工作载荷方向相反的预载荷，以降低零件的工作载荷；▲采用轻型薄璧冲压件或焊接件代替铸造、锻压件；▲采用强重比高的材料。五、可靠性要求零件的失效是随机发生的，其原因是零件所受的载荷、环境温度、零件本身物理和机械性能等因素是随机变化的。为了提高零件的可靠性，就应当在工作条件和零件性能两个方面使其变化尽可能小。§2-6机械零件的计算准则▲强度准则▲刚度准则设计零件时，首先应根据零件的失效形式确定其设计准则以及相应的设计计算方法。一般来讲，有以下几种准则：▲寿命准则▲振动稳定性准则▲可靠性准则---确保零件不发生断裂破坏或过大的塑性变形，是最基本的设计准则。----确保零件不发生过大的弹性变形。---通常与零件的疲劳、磨损、腐蚀相关。----高速运转机械的设计应注重此项准则。----当计及随机因素影响时，仍应确保上述各项准则。强度准则